王贻芳主要从事高能物理研究，他带领大亚湾实验团队发现第三种中微子振荡模式，被美国《科学》杂志评为2012年度十大科学突破之一;领导团队提出并建造了一种测量中微子质量顺序的新实验——江门中微子实验(JUNO)，并为此研发了新型20吋光电倍增管;他还领导了北京谱仪(BESIII)的设计和研制，2012年带领团队提出了环形正负电子对撞机的设想，领导了方案设计和关键技术预研。
王贻芳因在粒子物理领域的突出贡献，被评为“十佳全国科技工作者”、荣获国家自然科学一等奖(排名第一)、未来科学大奖、潘诺夫斯基实验粒子物理学奖、基础物理学突破奖等。他也是俄罗斯科学院外籍院士，发展中国家科学院院士。